MIT đột phá: Chế tạo vòi phun điện bằng in 3D, loại bỏ sự phụ thuộc vào phòng sạch

Quy trình sản xuất các hạt phân phối thuốc ba lớp và vật liệu tái tạo mô có thể trở nên đơn giản hơn rất nhiều nhờ một bước tiến mới trong việc chế tạo các vòi phun điện (electrospray nozzles).

Một nhóm nghiên cứu từ MIT đã sử dụng máy in 3D nhựa để tạo ra các vòi phun điện siêu nhỏ mà không cần đến các phòng sạch (cleanroom) đắt đỏ vốn thường là yêu cầu bắt buộc trước đây. Đội ngũ do Tiến sĩ Luis Fernando Velásquez-García, nhà khoa học nghiên cứu chính của MIT, dẫn đầu đã công bố chi tiết công trình của mình trong một bài báo gần đây.

Góc nhìn trong suốt về thiết kế phức tạp bên trong của mảng vòi phun

Vòi phun điện là gì và tại sao nó quan trọng?

Phun điện là một quy trình dựa vào các vòi siêu nhỏ — chúng ta đang nói đến kích thước nhỏ hơn một milimet — chịu tác động của điện trường để hóa lỏng thành các giọt nhỏ hơn nhiều so với phương pháp vật lý thuần túy. Phun điện có thể được thực hiện với nhiều loại chất lỏng khác nhau và có nhiều ứng dụng, từ việc ion hóa chất lỏng cho quang phổ khối, đến động cơ đẩy vũ trụ.

Tuy nhiên, các ứng dụng tiên tiến này thường yêu cầu thiết bị đắt tiền, và vòi phun điện cũng không ngoại lệ.

"Mặc dù phun điện rất linh hoạt, nhưng tính ứng dụng của nó bị hạn chế bởi các vấn đề về khả năng mở rộng quy mô do thách thức trong việc chế tạo các mảng bộ phát thu nhỏ với độ chính xác cao và chi phí thấp hoạt động song đều," bài báo giải thích.

Trước đây, việc chế tạo các mảng bộ phát thu nhỏ này phải được thực hiện trong các phòng sạch cấp độ bán dẫn, mà theo Velásquez-García, có thể mất nhiều tháng để hoàn thành với chi phí rất cao.

Đột phá nhờ in 3D

Đội ngũ của Velásquez-García không chỉ làm việc với các mảng vòi phun thông thường; họ đang phát triển các bộ phát phun điện ba trục (triaxial) được thiết kế đặc biệt để tạo ra các vi giọt ba lớp từ ba loại chất lỏng không hòa trộn vào nhau.

"Không có mảng phun điện đồng trục hay bộ phát phun điện ba trục nào được làm trong phòng sạch bán dẫn — chúng đơn giản là không tồn tại vì độ phức tạp khổng lồ trong thiết kế của chúng," Velásquez-García chia sẻ.

Để đạt được độ chính xác và độ phức tạp cần thiết, nhóm đã sử dụng một máy in 3D nhựa cao cấp từ Asiga với kích thước điểm ảnh là 27 µm. Sự chính xác này là hoàn toàn cần thiết khi nhìn vào thiết kế sản phẩm cuối cùng với mạng lưới kênh phức tạp để phun ba vật liệu khác nhau thành các giọt siêu nhỏ.

Mảng vòi phun điện ba trục được in 3D bởi các nhà nghiên cứu MIT

Thiết kế nhỏ gọn, tiềm năng lớn

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một phiên bản hoạt động của mảng bộ phát của họ chứa 16 vòi phun trong không gian chỉ một centimet vuông. Tuy nhiên, thiết kế này có tính mô đun, nên có thể mở rộng quy mô.

"Thiết kế có tính mô đun, vì vậy bạn có thể lát ghép nó và tạo ra các mảng rất lớn," Velásquez-García nói. Nếu lát ghép thiết kế này lên kích thước một foot vuông (khoảng 930 cm²), nó sẽ có khoảng 15.000 bộ phát.

"Vấn đề chính là chúng tôi đã chứng minh rằng chúng tôi đạt được mật độ bộ phát là 16 bộ phát trên mỗi centimet vuông," nhà nghiên cứu của MIT bổ sung. "Không thể dày đặc hơn nữa vì điểm nghẽn nằm ở độ phân giải của máy in 3D."

Hiện tại, giới hạn là 16 bộ phát trên mỗi cm² do độ phân giải của máy in 3D. Nhưng khi vượt qua giới hạn kỹ thuật này, các thiết bị có thể trở nên cực kỳ dày đặc, miễn là mạng lưới kênh vi mô phức tạp của chúng được duy trì.

Ứng dụng thực tế và tiềm năng thương mại

Vậy chúng ta có thể làm gì với các mảng phun điện ba trục này? Nhiều thứ sẽ được hưởng lợi từ thiết bị sản xuất rẻ hơn và nhanh hơn, giúp giảm chi phí chế tạo.

Có các hạt phân phối thuốc ba lớp, ví dụ, có thể phân phối thuốc đến các phần cụ thể của đường tiêu hóa, vật liệu tự phục hồi, và thậm chí là các tế bào nhân tạo được thiết kế để hỗ trợ tái tạo mô.

Velásquez-García giải thích về một ứng dụng tiềm năng: "Lớp ngoài cùng có thể là lớp bảo vệ hòa tan, lớp giữa có thể chứa thuốc thúc đẩy tăng trưởng và tái tạo mô, và lớp lõi có thể chứa kháng sinh để bảo vệ mô mới. Có rất nhiều sự linh hoạt trong các vật liệu bạn sử dụng để tạo ra ba lớp và điều chỉnh ứng dụng của chúng."

Các nhà nghiên cứu tin rằng họ đã giải quyết được một vấn đề chính trong việc xây dựng mảng phun điện không cần phòng sạch, và công nghệ này đã sẵn sàng để thương mại hóa.

"Vị 'tương thần' bí mật nằm ở thiết kế của mạng lưới ống và cấu trúc hỗ trợ," Velásquez-García giải thích.

Mặc dù nhân viên MIT không được phép thành lập công ty khởi nghiệp để thương mại hóa nghiên cứu của trường đại học, họ có thể tư vấn cho những bên cấp phép. Velásquez-García cho biết ông sẵn sàng làm việc này.

"Nếu bất kỳ ai muốn thương mại hóa nó, họ nên liên hệ với chúng tôi và chúng tôi sẽ làm việc với họ," nhà nghiên cứu MIT khẳng định.